JP5877262B1 - 電磁流量計用キャリブレータ - Google Patents

Abstract

【課題】高精度、高安定、低コストであって、かつ任意に設定可能な模擬流量信号を用いて電磁流量計の変換部の校正を行う。【解決手段】バッファアンプ１３の出力は、Ｄ／Ａ変換器２１のＲＥＦ入力端子に接続され、Ｄ／Ａ変換器２１の出力は分圧回路２２、バッファアンプ２３に接続されている。更に、Ｄ／Ａ変換器２１にはデジタル設定部２４が接続されている。Ｄ／Ａ変換器２１はＲＥＦ入力された基準電圧に対して、デジタル設定器２４を用いて設定した任意の信号基準分圧比設定、流速値設定、％出力設定から成るＤ／Ａ変換分圧比に基づくアナログ信号を出力し、模擬流量信号として変換部２に出力する。【選択図】図１

Description

本発明は、電磁流量計の変換器を精度良く校正するための電磁流量計用キャリブレータに関するものである。

電磁流量計は、測定管中を流れ導電性を有する流体に、励磁コイルにより交流磁場を印加して、ファラディの法則に従い、流体方向と磁場方向に直交する方向に誘起される起電力から流体の流速を求め、流量に換算している。

図５は一般的な電磁流量計の構成図を示し、検出部１と変換部２とから構成されている。検出部１は被測定流体が流れる測定管３と、測定管３の周囲に配置された励磁コイル４と、測定管３内に配置された一対の電極５ａ、５ｂとから成っている。

変換部２には、電極５ａ、５ｂにより誘起される２つの流量信号を差動受信するバッファアンプ６が設けられ、このバッファアンプ６の出力は、制御演算を行うＣＰＵ７、出力回路８に接続されている。一方、励磁回路９による励磁電流の出力が励磁コイル４及びＣＰＵ７に接続され、タイミング信号発生回路１０の出力が励磁回路９及びＣＰＵ７に接続されている。

タイミング信号発生回路１０で生成される低周波周期に同期して、励磁回路９から正負の励磁電流Ｉexが励磁コイル４に供給されると、測定管３内を流れる流体の流速に比例する流量信号として、電極５ａ、５ｂ間に起電力Ｅｓが誘起される。

電極５ａ、５ｂ間に誘起され、更にバッファアンプ６から出力される起電力Ｅｓは、次の（１）式で与えられる。
起電力Ｅｓ＝κ・Ｂ・ｖ・Ｄ ・・・（１）

なお、κは比例定数、Ｂは励磁コイル４による磁束密度、ｖは被測定流体の流速、Ｄは測定管３の口径である。

磁束密度Ｂが励磁電流Ｉexに比例するとすれば、（１）式を基に流速ｖは次の（２）式で得られる。なお、αは検出部１ごとに定まる定数である。
ｖ＝α・Ｅｓ／Ｉex ・・・（２）

電極５ａ、５ｂからの起電力Ｅｓはバッファアンプ６で受信され、更にＣＰＵ７に入力される。ＣＰＵ７では、タイミング信号発生回路１０の出力を基に、励磁電流Ｉexに同期したタイミングで同期整流をすると同時に、（２）式による励磁電流Ｉexとの比較演算が施され、得られた流速ｖが出力回路８に入力される。出力回路８では、プロセス用の所定の出力信号に変換される。

電磁流量計全体の校正では、電気的な手段により一定の入出力関係に校正された変換部２を用いて、検出部１に流体を流し、実流により検出部１ごとの定数αを定めている。

そして、特許文献１の図３に示すように、電磁流量計全体の変換部２の入出力関係の校正のために、キャリブレータを用いてゲイン調整や電流出力調整などの校正することは広く知られている。励磁電流を入力し疑似流量信号を出力するキャリブレータは、検出部１に代えて変換部２に接続して変換部２の校正を行うことになる。

また、図６は従来型のキャリブレータ１１の構成図であり、アナログ方式で校正するものである。変換部２のＣＰＵ７の出力である励磁電流Ｉexは、検出部１に代えて接続したキャリブレータ１１の模擬励磁負荷回路１２に供給される。

供給された励磁電流Ｉexは、模擬励磁負荷回路１２内の電流検出抵抗Ｒ１との積により電圧に変換され、電流検出抵抗Ｒ１の両端電圧はバッファアンプ１３でコモンモード成分を除去される。更に、信号基準分圧回路１４において、可変抵抗器ＶＲと固定抵抗Ｒ２とにより、信号起電力の設計基準に一致する電圧に分圧され、模擬流速設定部１５の両端に入力される。

模擬流速設定部１５では、ロータリスイッチにより出力信号を選択し、例えば０〜１０ｍ/ｓに相当する模擬流量信号Ｓを算出して、これに対応する出力信号をバッファアンプ１６を介して％出力設定部１７に出力する。％出力設定部１７では、ロータリスイッチにより模擬流速設定部１５で選定された模擬流量信号Ｓを、一定比率、例えば１０％の信号に分圧してバッファアンプ１８に出力する。

そして、バッファアンプ１８から出力した信号は、流量信号極性切替回路１９を経て変換部２のＣＰＵ７へ模擬流量信号Ｓとして入力されることになる。ＣＰＵ７への流量信号には、信号コモン線も接続されており、流量信号極性切替回路１９では流量信号の接続を反転する。反転による正流又は逆流方向の模擬流量信号Ｓを変換部２に入力することにより、変換部２のゲイン調整や電流出力調整などの校正処理を行う。

実開平６−６９７４３号公報

しかし、この従来例の校正方法は次の（ａ）〜（ｃ）に挙げるような問題点がある。

（ａ）従来のキャリブレータでは、励磁電流の値を電流検出抵抗Ｒ１によって、正確に検出し分圧して模擬流量信号Ｓを出力する。この模擬流量信号Ｓの出力には、０．０５％程度の高精度が要求されるので、超精密抵抗、例えば誤差０．０２％程度の電流検出抵抗Ｒ１が必要となる。この超精密抵抗は非常に高価であるので、キャリブレータの高コスト化に繋がる。
（ｂ）信号基準分圧回路１４で可変抵抗器ＶＲによる分圧が必要であり、可変抵抗器ＶＲの接点安定性が問題となる。
（ｃ）模擬流速設定部１５、％出力設定部１７は固定抵抗を用いた分圧処理であるため、所定値の分圧値しか出力できず、任意の値の出力をすることができない。

本発明の目的は、上述の課題を解決し、高精度、高安定、低コストであって、かつ任意に設定可能な模擬流量信号を用いて電磁流量計の変換部の校正を実施可能な電磁流量計用キャリブレータを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る電磁流量計用キャリブレータは、検出部と変換部とから成る電磁流量計の前記変換部に接続した電磁流量計用キャリブレータであって、前記変換部から励磁電流値を入力し、該励磁電流値を抵抗器により変換した値を基準電圧値としてＤ／Ａ変換器のＲＥＦ入力端子に入力すると共に、前記基準電圧値を、Ｄ／Ａ変換器に接続したデジタル設定器により設定された信号基準分圧比に基づいて分圧出力した後に、模擬流量信号として前記変換部に出力することを特徴とする。

本発明に係る電磁流量計用キャリブレータによれば、従来のアナログ方式の分圧に代えて、デジタル方式で調整、設定を行うため、任意の模擬流量を設定、出力ができるので変換部において高精度の校正が可能となる。また、電流検出抵抗のばらつきを補正することも可能であるので、超精密抵抗の電流検出抵抗を使用しなくてもよい。また、可変抵抗器が不要となり、可変抵抗器の接点安定性が問題となることもない。

実施例１の回路構成図である。 デジタル設定部の機能説明図である。 実施例２の回路構成図である。 実施例３の回路構成図である。 一般的な電磁流量計の回路構成図である。 従来の電磁流量計の校正部の構成図である。

本発明を図１〜図４に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は電磁流量計の変換部２の校正を実施するための回路構成図であり、電磁流量計の変換部２とキャリブレータ２０とから成っている。なお、キャリブレータ２０のインダクタンスＬとコイルの抵抗成分ｒと電流検出抵抗Ｒ１とから成る模擬励磁負荷回路１２と、バッファアンプ１３と、流量信号極性切替回路１９とは、図６の従来例と同様の回路が用いられている。

本発明では、キャリブレータ２０は変換部２の校正を行うものであり、変換部２の励磁回路９から供給される励磁電流Ｉexを電流検出抵抗Ｒ１で電圧Ｖに変換し、更にこの電圧Ｖを分圧して、起電力Ｅｓに相当する模擬流量信号Ｓを発生する。なお、通常では励磁電流Ｉexは±１００〜２５０ｍＡ範囲で励磁させ、電流検出抵抗Ｒ１として１Ωを採用する。この場合に、電圧Ｖは±１００〜２５０ｍＶ程度になる。

励磁電流Ｉexと電圧Ｖの関係は、図５における電極５ａ、５ｂ間に誘起される起電力Ｅｓには（１）式と同様に比例関係が成立するので、電圧Ｖを起電力Ｅｓに相当する値まで分圧することで、擬似的に模擬流量信号Ｓを発生することが可能となる。

図１において、バッファアンプ１３の入力である電圧Ｖは、バッファアンプゲインが１の場合はバッファアンプ１３の出力も電圧Ｖと同値となり、これが基準電圧ＶｍとしてＤ／Ａ変換器２１に入力される。なお、バッファアンプゲインは１に限定されるものではない。

バッファアンプ１３の出力は、Ｄ／Ａ変換器２１のＲＥＦ入力端子に接続され、Ｄ／Ａ変換器２１の出力は分圧回路２２、バッファアンプ２３に接続されている。更に、Ｄ／Ａ変換器２１にはデジタル設定部２４が接続されている。

Ｄ／Ａ変換器２１はＲＥＦ入力端子に対してデジタルポテンショメータとして動作する。Ｄ／Ａ変換器２１のデジタルポテンショメータとしての分圧比は、デジタル設定部２４により設定される。Ｄ／Ａ変換器２１からの出力であるアナログ信号を入力する分圧回路２２は、入力したアナログ信号を模擬流量信号Ｓのレベルにまで一定比率の分圧比で分圧する。

図２はＤ／Ａ変換器２１とデジタル設定部２４との機能の関係を示している。Ｄ／Ａ変換器２１とデジタル設定部２４は、従来例の図６の信号基準分圧回路１４、模擬流速設定部１５、％出力設定部１７と同様の機能をＤ／Ａ変換器２１内の例えばＩＣによってデジタル化している。

つまり、従来例の信号基準分圧、模擬流速設定、％出力設定の全てをデジタル設定部２４によるデジタル設定で実現している。このため、Ｄ／Ａ変換器２１は有効ビットの分解能の範囲において、ＲＥＦ入力された基準電圧Ｖｍに対して、任意のＤ／Ａ変換器２１の分圧比による出力設定が可能となる。そして、デジタル設定部２４を用いて設定した任意の信号基準分圧比設定、流速値設定、％出力設定から成るＤ／Ａ変換分圧比に基づくアナログ信号を得ることができる。

Ｄ／Ａ変換器２１の信号基準分圧比は、基準電圧Ｖｍに対する流体の単位流速（１ｍ／秒）当りの分圧比であり、この分圧比はメーカ或いは電磁流量計の口径等によって異なる。

例えば、通常の電磁流量計の設計においては、単位流速当りの信号起電力は励磁電流Ｉex×１ｍΩ程度になるように設計されている。従って、電流検出抵抗Ｒ１を１Ωとした場合には、分圧比はＤ／Ａ変換分圧比と分圧回路２２の分圧比の積として、１／１０００程度が必要となる。更に、この積の分圧比は、１／２０００〜１／２００の範囲で出力可能とする。

このような分圧比を得るために、１６ビットのＤ／Ａ変換器２１と分圧回路２２を使用して、０．００１％程度の精度を得る必要がある。分圧回路２２は固定比率の分圧を行うものであるので、例えば１０％の比率のものであれば、Ｄ／Ａ変換分圧比は１／１００程度のものを用いることになる。なお、分圧回路２２を用いずにＤ／Ａ変換器２１のみで分圧処理することも可能である。この場合には、高ビットのＤ／Ａ変換器２１を採用する必要がある。

模擬的な流速として、０．１〜１２ｍ／秒程度の範囲を設定可能であり、分圧した単位流速当りの基準値に乗ずることで、模擬流速信号Ｓを得ることができる。この模擬流速信号Ｓを１００％としたときに、％出力設定によって０〜１２０％の範囲で更に設定することができる。

このようにして任意のＤ／Ａ変換器２１の分圧比、流速値設定、％出力設定を設定して出力したアナログ信号に、更に分圧回路２２で分圧することで、任意の模擬流量信号Ｓを発生することができる。

そして、任意の模擬流量信号Ｓを出力可能なキャリブレータ２０は、電磁流量計から検出部１を切り離して、変換部２に接続することでゲイン調整や電流出力調整など、校正及び動作確認を行うチェッカとして利用することができる。このため、実流チェックを行うことなく、変換部２の校正処理及び動作確認ができるので変換部２のチェックの手間と時間が節約できる利点がある。

また、各種の設定等をデジタル方式で行うため、従来のアナログ方式のような精度上の制約もなく、高精度、高安定、低コストで変換部２に模擬流量信号Ｓを出力することができる。

図１に示す実施例１では、キャリブレータ２０内にインダクタンスＬとコイルの抵抗成分ｒと電流検出抵抗Ｒ１とから成る模擬励磁負荷回路１２を内蔵している。しかし、特定の励磁負荷、例えば検出部１の励磁コイル４とを組み合わせて使用する場合には、キャリブレータ２０から、励磁コイル４に相当するコイルの抵抗成分ｒとインダクタンスＬから成る励磁負荷を取り除いた構成のキャリブレータ３０を用いることもできる。

図３はこの場合の実施例２のキャリブレータ３０の構成と、変換部２、検出部１との接続状態を示す回路構成図である。キャリブレータ３０内に模擬励磁負荷回路１２に代えて、電流検出抵抗Ｒ１のみを備えた励磁電流検出回路３１を設け、かつ変換部２の励磁回路９と、励磁電流検出回路３１との間に、コイルの抵抗成分ｒとインダクタンスＬから成る励磁コイル４を備えた検出部１を配置し、接続する。

図３に示す接続形態により、実施例１のチェックに加えて、検出部１の励磁コイル４をチェックすることも可能となる。なお、検出部１に代えて、励磁コイル４に相当する抵抗成分ｒとインダクタンスＬから成る励磁負荷を備えた擬似検出部を接続することもできる。

変換部２の設計によっては、変換部２のＣＰＵ７と励磁回路９が電気的に干渉し合う場合がある。このような場合に、キャリブレータ４０内で電流検出抵抗Ｒ１の両端電圧をバッファアンプ１３により出力するまでの励磁系と、Ｄ／Ａ変換器２１によるＤ／Ａ変換を行う模擬流量信号系とを分離することが必要である。

図４に示す実施例３の回路構成図においては、キャリブレータ４０に励磁系と模擬流量信号系との間にアイソレーションアンプ４１を配置して、励磁系と模擬流量信号系とを物理的に分離している。

従って、励磁電流値を抵抗器Ｒ１により変換した基準電圧Ｖｍの出力は、電気的干渉を防止するアイソレーションアンプ４１を介して、Ｄ／Ａ変換器２１のＲＥＦ入力端子に出力される。なお、アイソレーションアンプ４１の機能の追加以外は、図２の回路構成図と同様である。

１ 検出部
２ 変換部
７ ＣＰＵ
９ 励磁回路
１２ 模擬励磁負荷回路
１３、２３ バッファアンプ
１９ 流量信号極性切替回路
２０、３０、４０ キャリブレータ
２１ Ｄ／Ａ変換器
２２ 分圧回路
２４ デジタル設定部
３１ 励磁電流検出回路
４１ アイソレーションアンプ

Claims (5)

1. 検出部と変換部とから成る電磁流量計の前記変換部に接続した電磁流量計用キャリブレータであって、
   前記変換部から励磁電流値を入力し、該励磁電流値を抵抗器により変換した値を基準電圧値としてＤ／Ａ変換器のＲＥＦ入力端子に入力すると共に、
   前記基準電圧値を、Ｄ／Ａ変換器に接続したデジタル設定器により設定された信号基準分圧比に基づいて分圧出力した後に、模擬流量信号として前記変換部に出力することを特徴とする電磁流量計用キャリブレータ。
2. 前記Ｄ／Ａ変換器からの出力信号は、前記デジタル設定器で設定可能な前記信号基準分圧比、模擬流速、％出力に基づいて出力されることを特徴とする請求項１に記載の電磁流量計用キャリブレータ。
3. 前記信号基準分圧比は前記電磁流量計の口径により異なる値としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁流量計用キャリブレータ。
4. 前記変換部との接続は、励磁負荷を備える前記検出部又は擬似検出部を介して接続することを特徴とする請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載の電磁流量計用キャリブレータ。
5. 前記該励磁電流値を抵抗器により変換した基準電圧値の出力は、電気的干渉を防止するアイソレーションアンプを介して、前記Ｄ／Ａ変換器のＲＥＦ入力端子に出力すること特徴とする請求項１〜４の何れか１つの請求項に記載の電磁流量計用キャリブレータ。

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